王 帥 毛 婷

（西安易盛泰和科技有限公司，陜西 西安 710000）

1 概述

隨著人類太空活動(dòng)的發(fā)展，尤其是載人航天工程的建設(shè)實(shí)施，在地面進(jìn)行載人高空環(huán)境模擬試驗(yàn)成為保證發(fā)射和保障宇航員生命安全的一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。

載人低壓艙是用來(lái)模擬高空飛行低氣壓環(huán)境的大型裝備，是航空生理研究、訓(xùn)練、體格檢查以及機(jī)上氧氣裝備性能鑒定試驗(yàn)的特殊試驗(yàn)平臺(tái)[1]。

2 載人低壓艙快速泄壓裝置功能介紹

根據(jù)航空工業(yè)的發(fā)展及航空醫(yī)學(xué)研究需要，載人低壓艙需要實(shí)現(xiàn)單級(jí)迅速減和雙級(jí)迅速減壓兩種不同減壓環(huán)境。

2.1 單級(jí)迅速減壓

80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）[2]內(nèi)壓差不超過(guò)60KPa 的任意壓力區(qū)間；減壓平衡時(shí)間：0.3s～0.5s 內(nèi)可調(diào)。

2.2 雙級(jí)迅速減壓

初級(jí)減壓75KPa～35KPa（2500m～8150m）減壓時(shí)間0.5 ～1.2s，次級(jí)迅速減壓40KPa ～10KPa（7150m～16000m），減壓平衡時(shí)間：0.3s～0.5s 內(nèi)可調(diào)。

3 總體設(shè)計(jì)說(shuō)明

載人低壓艙快速泄壓裝置，主要由座艙、高空艙、第一喉道、第二喉道和抽空機(jī)組組成。座艙主要模擬飛機(jī)駕駛員的駕駛環(huán)境，高空艙模擬室外低氣壓環(huán)境，第一喉道+第二喉道不同組合模式，可實(shí)現(xiàn)單級(jí)減壓和迅速減壓兩種工況。采用抽空機(jī)組模擬不同海拔高度。

依據(jù)CCAR25.841 和FAR25.842 條款規(guī)定飛機(jī)座艙高度不超過(guò)4500m，如果超過(guò)4500m 會(huì)導(dǎo)致飛行員及乘客缺氧，進(jìn)而昏迷，失去行動(dòng)能力，導(dǎo)致飛行事故[3]。設(shè)計(jì)座艙高度不超過(guò)4500m，座艙尺寸為：1.2m×1.3m×1.8m。

首先在上位機(jī)上設(shè)置所控壓力的目標(biāo)值，開啟真空泵組進(jìn)行座艙和高空艙的相關(guān)抽空，待壓力傳感器檢測(cè)的值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，關(guān)閉真空泵組。

3.1 單級(jí)迅速減壓模式

待座艙和高空艙分別到達(dá)壓力目標(biāo)值，通過(guò)液壓裝置，快速打開第一喉道中的快開蝶閥（0.3s 開啟），此時(shí)調(diào)節(jié)蝶閥全部開啟，第二喉道閥門全部關(guān)閉，可實(shí)現(xiàn)單級(jí)快速減壓試驗(yàn)。

3.2 單級(jí)迅速減壓時(shí)間調(diào)節(jié)模式

抽空前調(diào)節(jié)蝶閥開啟相應(yīng)角度（參考表格2），快開蝶閥關(guān)閉。壓力達(dá)到目標(biāo)值后，通過(guò)液壓裝置快速打開快開蝶閥（參考單級(jí)迅速減壓模式）。

3.3 雙級(jí)迅速減壓

一級(jí)減壓時(shí)，快速打開第一喉道閥門。壓力平衡后，快速打開第二喉道閥門，進(jìn)行二級(jí)減壓。

3.4 雙級(jí)迅速減壓時(shí)間調(diào)節(jié)模式

試驗(yàn)開始前，兩個(gè)調(diào)節(jié)蝶閥開啟相應(yīng)角度。壓力達(dá)到目標(biāo)值后，先后開啟第二喉道和第一喉道快開蝶閥，實(shí)現(xiàn)雙級(jí)減壓時(shí)間調(diào)節(jié)試驗(yàn)。（圖1）

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 高空艙容積設(shè)計(jì)

在壓力平衡過(guò)程中，兩艙體的壓力、通過(guò)閥門的流量隨著時(shí)間的變化而變化，流動(dòng)狀態(tài)為一維絕熱過(guò)程。

依據(jù)理想氣體的狀態(tài)方式，座艙內(nèi)的起始?xì)怏w質(zhì)量

5 單級(jí)迅速減壓設(shè)計(jì)

管道長(zhǎng)度L≤20d 的管道稱為短管，在計(jì)算短管流導(dǎo)時(shí)，應(yīng)考慮入孔的影響。通常用入口孔與管道本身串聯(lián)后的總流導(dǎo)表示短管的流導(dǎo)。

表1 不同壓差下管道流導(dǎo)計(jì)算

在聯(lián)通管道直徑為1200mm 狀態(tài)下，管道流導(dǎo)為224m3/s 滿足單級(jí)減壓快速減壓過(guò)程。

為實(shí)現(xiàn)單級(jí)減壓時(shí)間在0.3s～0.5s 內(nèi)可調(diào)，在快開閥門（打開時(shí)間0.2s）前置真空調(diào)節(jié)蝶閥。通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制管道的流通面積，可控制泄壓時(shí)間。

表2 不同減壓時(shí)間，調(diào)節(jié)蝶閥開度統(tǒng)計(jì)

6 雙級(jí)迅速減壓設(shè)計(jì)

為75KPa～35KPa 的初級(jí)減壓，設(shè)計(jì)第二喉道進(jìn)行初級(jí)減壓。在降壓過(guò)程的某一時(shí)刻t，座艙容器壓力P。經(jīng)過(guò)時(shí)間dt 后，高空艙壓力降低到dP，則容器中減少的氣體量為VdP，經(jīng)過(guò)時(shí)間dt 從閥孔流量的進(jìn)氣量Qdt 二者相等。

t——平衡時(shí)間（包含閥門開啟時(shí)間，此閥門開啟時(shí)間為0.3s，即減壓時(shí)間在0.2s～0.9s 內(nèi)達(dá)到降壓要求）。

表3 平衡時(shí)間和管道直徑計(jì)算

第二喉道管道直徑?300mm，在快開蝶閥前設(shè)置?300 的電動(dòng)真空調(diào)節(jié)蝶閥，調(diào)節(jié)蝶閥可在0°～90°之間任意調(diào)整，輸出4～20mA 信號(hào)，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥的角度調(diào)整，可調(diào)整管道通徑，進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)0.5～1.2s 內(nèi)減壓試驗(yàn)。

由于座艙開始做70KPa～35KPa 的初級(jí)減壓試驗(yàn)，必然導(dǎo)致負(fù)高空艙壓力升高。在進(jìn)行次級(jí)減壓時(shí)，快速打開第二喉道（打開時(shí)間為0.2s）快開閥門，此時(shí)第一喉道處于原始狀態(tài)。

第一喉道和第二喉道屬于并聯(lián)連接方式，可計(jì)算管道總流導(dǎo)為：

表4 0.3s 平衡閥門開啟角度

表5 0.5s 平衡閥門開啟角度

當(dāng)調(diào)節(jié)閥控制角度在20°～45°，可實(shí)現(xiàn)0.3～0.5s時(shí)間內(nèi)壓力40KPa 平衡到10KPa。

7 抽空設(shè)計(jì)

在粗真空、低真空下，真空設(shè)備本身內(nèi)表面的出氣量與設(shè)備總的氣體負(fù)荷相比，可以忽略不計(jì)。因而在粗真空、低真空情況下計(jì)算抽氣時(shí)間一般不需要考慮出氣的影響。[7]

表6 不同真空范圍劃分

為實(shí)現(xiàn)80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）的減壓需求，高空艙初始?jí)毫ξ?5Pa。由上表判斷位中真空范圍，不需要考慮出氣影響，計(jì)算抽空時(shí)間如下：

高空艙體積為144m3，第一喉道直徑?1200mm，第二喉道直徑?300，管道容積約6m3，管道長(zhǎng)度約3m，因此總抽空容積按照150m3計(jì)算。綜合考慮真空泵性能，抽空時(shí)間，選擇旋片泵（三臺(tái)SV300）和羅茨泵（兩臺(tái)WAU2001）組合形式，進(jìn)行抽空設(shè)計(jì)。（圖2）

圖2 抽空模型設(shè)計(jì)

表7 抽空時(shí)間計(jì)算

8 結(jié)論

8.1 通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒原理，可確定高空艙容積。后續(xù)可依GB150《壓力容器設(shè)計(jì)》進(jìn)行厚度計(jì)算。

8.2 依據(jù)不同減壓模式，文中詳細(xì)給出管道直徑、減壓時(shí)間、調(diào)節(jié)蝶閥起開角度等參考值，為后續(xù)試驗(yàn)提供指導(dǎo)依據(jù)。

8.3 文中給出高空艙抽空機(jī)組選型，及抽空時(shí)間計(jì)算，為試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程提供指導(dǎo)依據(jù)。

8.4 此載人低壓艙快速泄壓裝置，可滿足目前我國(guó)不同減壓高度的航空裝備及航空醫(yī)學(xué)訓(xùn)練試驗(yàn)。